Modulare Sensorik für den Mittelstand

»Mit unserem Baukasten können KMU Nischen besetzen und sich gegen Großunternehmen behaupten.«

Dazu kommt: Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der kleinen und mittelständischen Unternehmen verfügen oftmals nicht über das nötige mikroelektronische Know-how, um bei den Trendtechnologien des Internets der Dinge und des taktilen Internets mitzumischen.
Auch die teure Entwurfssoftware steht den Mitarbeitenden der KMU vielfach nicht oder nur sehr eingeschränkt zur Verfügung. Das zeigt sich z. B. auch an den Kunden des Halbleiterhersteller GLOBALFOUNDRIES, der hochmoderne Systems-on-Chip, kurz SoCs, anbietet – also integrierte Schaltkreise auf einem Halbleiter-Substrat. Der Großteil der Kunden befindet sich in Übersee. In Deutschland und Europa gibt es nur wenige, KMU sind keine darunter. Anders gesagt: Um Produkte intelligent werden zu lassen und somit den Anforderungen des Marktes zu genügen, setzen deutsche und europäische KMU vor allem auf Standardprodukte der Mikroelektronik. Doch wollen die Unternehmen international konkurrenzfähig bleiben, wird dies auf Dauer nicht ausreichen 

Rasanter Wandel in der Halbleiterindustrie schafft digitale Kluft

Für die KMU ist schnelle Hilfe gefragt, denn der Wandel im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik und in der Halbleiterindustrie vollzieht sich rasant und ist von hoher Dynamik geprägt. Etwa was das Internet der Dinge angeht: Dabei sollen reale und virtuelle Gegenstände sich miteinander vernetzen und auf diese Weise zusammenarbeiten. Unmerklich soll das Internet der Dinge den Menschen bei seinen Tätigkeiten unterstützen, es selbst bleibt dabei im Hintergrund, ohne aufzufallen. Möglich wird das beispielsweise über Wearables, also miniaturisierte Computer, die in die Kleidung integriert sind und über Sensoren Daten erfassen – beispielsweise den Puls oder die Zahl der Schritte, die der Träger an diesem Tag bereits zurückgelegt hat.

Durch die Hürden, denen sich KMU gegenübersehen, droht im Unternehmenssektor eine »digitale Spaltung«, wie die Expertenkommission Forschung und Innovation (EFI) in ihrem Jahresgutachten vom Januar 2017 feststellt. Auf der anderen Seite birgt der derzeit stattfindende Wandel die Chance, die Wertschöpfungsketten auf den Kopf zu stellen. Denn anders als beispielsweise im Bereich der Smartphones ist der Markt im Bereich Internet der Dinge noch nicht aufgeteilt.

Mit einem Baukasten für Sensorknoten können KMU am Markt teilhaben

Wie können die KMU ihre Chance ergreifen und in diesem Wandel bestehen? Das geht nur mit einer leistungsfähigen, hochintegrierten, speziellen Lösung, die sie für die nächste Produktgeneration zur Verfügung stellen. Diese Lösungen müssen zum einen eine hohe Packungsdichte erlauben, zum anderen mit wenig Energie auskommen. Doch was heißt das konkret? Sprich: Wie können die Entwicklungszeiten solcher neuen Produkte auf ein halbes Jahr gesenkt und gleichzeitig die Kosten auf etwa eine halbe Million Euro gedrückt werden? Wie also lässt sich die zukunftsgefährdende Lücke schließen, die zwischen KMU und Großunternehmen klafft?

Mit diesen Fragen beschäftigt sich eine Initiative, die wir gemeinsam mit GLOBALFOUNDRIES ins Leben gerufen haben: Sie soll die Eintrittsschwelle für KMU in Hochtechnologien und entsprechende Systemintegrationstechniken senken – und ihnen somit ermöglichen, am neu entstehenden Markt rund um das Internet der Dinge teilzuhaben. An dem Projekt namens »USeP«, kurz für »Universelle Sensor-Plattform«, beteiligen sich neben unserem Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS die Fraunhofer-Institute für Photonische Mikrosysteme IPMS, für Elektronische Nanosysteme ENAS und für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM sowie der Halbleiterhersteller GLOBALFOUNDRIES. Der Freistaat Sachsen und die Europäische Union unterstützen das Vorhaben im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) mit rund 18 Millionen Euro.

Kernstück ist eine Baukastentechnologie, die wir auf einer Sensor-Plattform zur Verfügung stellen. Doch was genau verbirgt sich nun hinter dem Begriff »Sensor-Plattform«? Grob gesagt ist dies eine technologische Plattform, mit der auch kleinere Anbieter den wachsenden Entwicklungs- und Fertigungsaufwand für Elektronik der nächsten Generation schultern können. Ähnlich wie sich Kunden eines Automobilherstellers ihr Fahrzeug über eine Webseite – Experten sprechen vom Web-Front-End – nach ihren Wünschen individuell gestalten, können bei diesem Baukastensystem Kunden Sensorknoten zusammenstellen. Das Ganze funktioniert ähnlich einfach wie der Bestellvorgang beim Auto. Viel Engineering-Aufwand braucht es also nicht, auch ein tieferes Fachwissen der KMU-Beschäftigten ist nicht nötig.

Die Kunden erhalten dabei nicht nur einen System-on-Chip, wie Halbleiterhersteller sie bisher bereits anbieten. Denn allein mit diesen können kleinere Unternehmen wenig anfangen – sie bräuchten zu viel Zeit und Fachwissen, um daraus ein entsprechendes Produkt zu entwickeln. Vielmehr bieten wir eine Art »Rundum-glücklich-Paket« an: Einen komplett fertigen – und maßgeschneiderten – Sensorknoten, der verschiedene Elemente umfasst. Zunächst einmal den SoC, basierend auf einer GLOBALFOUNDRIES-Technologie namens 22FDX, weiterhin verschiedene Sensoren unterschiedlicher Hersteller, eine Energieversorgung, ein Radio Interface und/oder drahtgebundene Schnittstellen, also eine Kommunikationstechnologie, die drahtlos oder über ein Kabel mit der Außenwelt kommuniziert. Die Kunden geben ihre Anforderungen an einen solchen Sensorknoten in das System ein und erhalten Vorschläge, auf welche Weise diese erfüllt werden können. Eine noch zu gründende Firma – an der sowohl Fraunhofer und GLOBALFOUNDRIES als auch ein dritter Partner aus der Anwendung beteiligt sein werden – produziert nach diesen Angaben zunächst einen Prototyp des Sensorknotens, kann bei Bedarf jedoch auch Stückzahlen bis in Millionenhöhe liefern. Und all das innerhalb weniger Monate zu überschaubaren Kosten. Um dabei den genauen Bedarf zu berücksichtigen, suchen wir momentan Firmen, die ihre Ideen in die Umsetzung einbringen. 2019, so unser Ziel, soll dann der erste Prototyp fertig sein.

Wofür braucht man eigentlich Sensorknoten? Einige Beispiele …

Bevor wir jedoch näher auf die Vorteile eingehen, die dieser Baukasten den KMU bieten kann, zunächst einmal zur Frage: Wofür genau brauchen die KMU solche Sensorknoten eigentlich? Die Anwendungen sind mannigfaltig, sie umfassen unter anderem Multisensorlösungen in den Bereichen Produktion und Heimautomatisierung, von einfachen Sensoren bis hin zu sehr leistungsfähigen Bildverarbeitungslösungen. Nehmen wir als Beispiel einen großen Bürogebäudekomplex. Stattet man dieses Gebäude mit entsprechenden Sensorknoten aus, können diese unter anderem die Luftqualität, die Temperatur und die Personenzahl in den Räumen erfassen – und bei Bedarf die Klimaanlage entsprechend regeln. Auch die Aufzüge könnten sie optimieren. Erfassen die Sensorknoten etwa, wie viele Menschen sich wo aufhalten oder in welche Richtung sie sich bewegen, und leiten sie diese Daten an die Aufzugsteuerung weiter, können die Aufzüge effizienter werden.

Ein anderes Beispiel findet sich in der Robotik. Heute besitzen die Roboter, die in Fertigungshallen mit menschlichen Kolleginnen und Kollegen zusammenarbeiten, vielfach bereits eine sensible »Haut«. Über diese spüren sie, wenn sie einen Menschen berühren – und stoppen ihre Bewegung aus Sicherheitsgründen. Über Kameras können sie auch detektieren, wenn sich eine menschliche Hand in ihr Handlungsfeld hinein bewegt. Bislang ist das Umfeld für diese Überprüfung allerdings sehr begrenzt. So hat ein Roboter beispielsweise Schwierigkeiten, um die Ecke zu schauen, wenn er sich durch den Raum bewegt. Über intelligente Sensorknoten, die drahtlos miteinander kommunizieren, könnte man solche Systeme mit mehr Informationen versorgen und Arbeitsfelder besser gestalten. Dies sind nur einige Beispiele, in denen Sensorknoten eingesetzt werden können.

Auch das Vertragshandling und die rechtlichen Anforderungen werden geklärt

Doch zurück zu den Sensorknoten. Die Plattform ermöglicht es nicht nur, die Knoten individuell und einfach zusammenzustellen, sondern nimmt den KMU auch nahezu das gesamte Vertragsmanagement und die gesamten Verhandlungen mit den Zulieferern ab. Dies wäre eine aufwendige Angelegenheit, die kleinere Unternehmen nur schwer stemmen können: Allein für die Bauteile der SoCs gilt es, zahlreiche Verträge mit unterschiedlichen Zulieferfirmen abzuschließen und die entsprechenden Lizenzierungen teuer zu erstehen. Dieses Ökosystem an Verträgen schlägt nun jedoch gar nicht mehr bis zu den kleineren Unternehmen durch.

Ein weiterer Vorteil der Sensorknoten: Sie verfügen über einen hochleistungsfähigen miniaturisierten Computer, der alle nötigen Berechnungen durchführt. Es braucht also keinen direkten Zugriff zu externen Clouds oder Fogs mehr wie bei bisherigen Sensorknoten, um die Datenströme zu speichern und zu analysieren. Stattdessen können alle nötigen Berechnungen direkt auf dem Knoten durchgeführt werden. Auch der Punkt der Sicherheit ist uns bei der Entwicklung der Sensor-Plattform extrem wichtig: Sie wird modernste Verschlüsselungstechnologien nutzen und den höchsten Sicherheitsanforderungen entsprechen.

Die Sensor-Plattform bietet kleineren Unternehmen somit eine Möglichkeit, ihre Nische im Bereich des Internets der Dinge zu finden und auf diese Weise mit großen Unternehmen konkurrieren zu können.